某大型鐵礦尾礦庫(kù)一次性筑壩技術(shù)

李瑞鴻 袁子有 李躍強(qiáng)

(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

某大型鐵礦尾礦庫(kù)一次性筑壩技術(shù)

李瑞鴻 袁子有 李躍強(qiáng)

(中冶京誠(chéng)(秦皇島)工程技術(shù)有限公司)

分析了一次性筑壩技術(shù)的適宜范圍，以承德地區(qū)某大型鐵礦尾礦庫(kù)一次性筑壩技術(shù)設(shè)計(jì)為例，對(duì)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，并將一次性筑壩技術(shù)與傳統(tǒng)上游式尾礦筑壩法進(jìn)行比較，結(jié)果表明一次性筑壩方案技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上更合理，值得推廣。

尾礦庫(kù) 一次性筑壩技術(shù) 上游式筑壩法

目前我國(guó)普遍采用的是上游式尾礦筑壩方式，壩體的安全穩(wěn)定性受尾礦顆粒級(jí)配、尾礦排放濃度及流動(dòng)沉積規(guī)律等因素的影響，安全性較低。多年的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，上游式尾礦筑壩法對(duì)于解決礦山尾礦問(wèn)題有局限性。近年來(lái)監(jiān)管部門正在積極引導(dǎo)各地區(qū)和尾礦庫(kù)企業(yè)應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)、尾礦充填和干式排尾等先進(jìn)適用的新技術(shù)[1-5]。國(guó)家五部門聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)尾礦庫(kù)監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》(安監(jiān)總管[2012]32號(hào))中明確提出，新建四、五等尾礦庫(kù)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用一次性筑壩方式。有關(guān)文獻(xiàn)[6]對(duì)中、小型尾礦庫(kù)一次性筑壩，從壩型選擇、筑壩材料、排洪、排滲防滲、尾礦排放方式等方面進(jìn)行了探討，分析了其設(shè)計(jì)要求。本文通過(guò)某大型鐵礦尾礦庫(kù)采用一次性筑壩技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)上游式筑壩法和一次性筑壩技術(shù)進(jìn)行了比較，分析兩種筑壩方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定采用一次性筑壩方案。并提出了大型尾礦庫(kù)一次性筑壩技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為該技術(shù)的推廣起到一定的促進(jìn)作用。

1 一次性筑壩技術(shù)的適宜范圍

近年來(lái)由于越來(lái)越嚴(yán)格的安全和環(huán)保要求，尾礦庫(kù)一次性筑壩技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。尾礦庫(kù)一次性筑壩技術(shù)，指的是在基建期一次性將攔擋壩修建至最終設(shè)計(jì)標(biāo)高，建成永久性壩體，在生產(chǎn)過(guò)程中直接將尾礦排入庫(kù)內(nèi)，不再用尾砂分級(jí)堆筑子壩。對(duì)于大型尾礦庫(kù)工程，通常壩體高，筑壩工程量大，可根據(jù)尾礦排放堆積速率分期修筑攔擋壩。一次性筑壩是所有筑壩方式中抗震穩(wěn)定性最好的，缺點(diǎn)是筑壩材料用量最多。

一次性筑壩方式主要適用于以下幾種情況：①山谷型尾礦庫(kù)溝谷長(zhǎng)度較長(zhǎng)，兩側(cè)山體有足夠的長(zhǎng)度且筑壩材料充裕；②平地型尾礦庫(kù)和傍山型尾礦庫(kù)，不能滿足最小干灘長(zhǎng)度及澄清距離要求的；③尾礦粒度細(xì)，不能利用尾砂堆筑子壩，優(yōu)先采用一次性筑壩方式；④在高寒地區(qū)氣溫低，冬季放礦時(shí)不利于尾砂排水固結(jié)，容易形成永凍層，同時(shí)受嚴(yán)寒氣候的影響，大量礦漿凍結(jié)于庫(kù)內(nèi)，待春天氣溫回升時(shí)融化，可能引發(fā)春汛，給尾礦壩造成一定的安全隱患，優(yōu)先采用一次性筑壩方式；⑤由于礦山自身地形條件的限制，沒(méi)有適宜的場(chǎng)地用作排土場(chǎng)，建設(shè)尾礦庫(kù)需同時(shí)考慮排土場(chǎng)建設(shè)，可采用一次性筑壩方式。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某鐵礦為露天開(kāi)采礦山，選礦廠原礦處理規(guī)模為150萬(wàn)t/a，排尾量130萬(wàn)t/a。全尾礦顆粒較粗，小于0.074 mm的尾砂僅占總質(zhì)量的7.0%，脫水性能良好。

擬建尾礦庫(kù)地處燕山中低山區(qū)的一處溝谷內(nèi)，三面環(huán)山，為一典型的山谷型尾礦庫(kù)。從地貌上看，該庫(kù)溝谷呈“Y”字型布置，近于西東走向，斷面呈“V”字型。溝谷狹長(zhǎng)，主溝長(zhǎng)約1 500 m，溝底寬度20～40 m。該區(qū)為典型的大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，冬長(zhǎng)夏短，冬季寒冷干燥，春季驟冷驟熱，夏季盛行偏南風(fēng)，氣候溫和，雨水集中，時(shí)有暴雨及冰雹。夏季氣溫最高39 ℃，冬季最低氣溫-27 ℃，年平均氣溫8.6 ℃左右，年平均降水量553 mm。水源地距選礦廠較近，水質(zhì)、水量能夠滿足生產(chǎn)和生活用水的要求。擬建尾礦庫(kù)下游有部分居民居住，無(wú)工礦企業(yè)，無(wú)高壓線及其他重要設(shè)施。企業(yè)與該處村民已達(dá)成搬遷協(xié)議，居民搬遷后該區(qū)域適宜用作尾礦庫(kù)庫(kù)址。

2.2 筑壩方案選擇

根據(jù)尾礦性質(zhì)、地形和地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及尾礦壩筑壩常用方法，初選上游式筑壩和一次性筑壩兩種方案，通過(guò)比較確定最優(yōu)方案。

2.2.1 方案Ⅰ(上游式尾礦筑壩)

該尾礦庫(kù)距企業(yè)采場(chǎng)較近，采場(chǎng)在生產(chǎn)期間有大量的剝離廢石，設(shè)計(jì)初期壩為透水堆石壩，利用采場(chǎng)篩選的剝離廢石筑壩。初期壩壩高30.0 m，壩頂標(biāo)高720.0 m，堆積壩外邊坡平均坡比為1:4，尾礦最終堆積標(biāo)高800.0 m，總壩高110.0 m，計(jì)算總庫(kù)容1 316.0萬(wàn)m3，該尾礦庫(kù)等級(jí)為二等。庫(kù)容利用系數(shù)按0.75計(jì)算，服務(wù)年限約11.4 a。尾礦庫(kù)主要設(shè)施包括：初期壩、排水系統(tǒng)、排滲設(shè)施及安全監(jiān)測(cè)設(shè)施等。其中，排水系統(tǒng)由排水井、排水管、排水隧硐、轉(zhuǎn)流井、消力池及排水溝等組成。方案Ⅰ平面布置圖和初期壩斷面圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 尾礦庫(kù)平面布置

2.2.2 方案Ⅱ(一次性筑壩)

設(shè)計(jì)攔擋壩為透水堆石壩，利用采場(chǎng)剝離廢石筑壩，不設(shè)堆積壩。攔擋壩最終壩頂標(biāo)高800.0 m，總壩高為110.0 m，計(jì)算總庫(kù)容為1 670.7萬(wàn)m3，尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)等級(jí)為二等，庫(kù)容利用系數(shù)按0.9計(jì)算，服務(wù)年限約17.4 a。尾礦庫(kù)主要設(shè)施包括：攔擋壩、排水系統(tǒng)、排滲設(shè)施及安全監(jiān)測(cè)設(shè)施等。方案Ⅱ排水系統(tǒng)組成同方案Ⅰ，只是排水隧洞出口所接排水管和消力池的位置稍作了調(diào)整?？紤]地形變化，在排水管中間設(shè)置了一座轉(zhuǎn)流井，攔擋壩外壩坡未設(shè)置壩面排水溝。

圖2 初期壩斷面(單位:m)

方案Ⅱ平面布置圖和攔擋壩斷面圖分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 尾礦庫(kù)平面布置

2.3 筑壩方案分析比較

2.3.1 技術(shù)指標(biāo)

對(duì)兩種不同筑壩方案的尾礦設(shè)施技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種方案技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

注：方案Ⅱ攔擋壩堆石量按第一期考慮。

由表1可以看出，方案Ⅱ與方案Ⅰ比較：總庫(kù)容多27%，總服務(wù)年限延長(zhǎng)了6 a；攔擋壩一期筑壩工程量是方案Ⅰ的2倍多，但考慮到企業(yè)有足夠的采場(chǎng)廢石可用于筑壩，彌補(bǔ)了一次性筑壩材料用量多的缺點(diǎn)；解決了采場(chǎng)剝離圍巖的排棄問(wèn)題，減小了礦山配套的排土場(chǎng)規(guī)模。

圖4 攔擋壩斷面(單位：m)

2.3.2 防洪安全

(1)方案Ⅰ：該尾礦庫(kù)為二等庫(kù)，在計(jì)算過(guò)程中根據(jù)各使用期等級(jí)不同，防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)取上限。庫(kù)區(qū)最大匯水面積0.745 km2，隨著尾礦壩的升高，庫(kù)區(qū)匯水面積、防洪標(biāo)準(zhǔn)都發(fā)生變化，選取典型壩段進(jìn)行洪水計(jì)算及調(diào)洪演算。計(jì)算結(jié)果表明，尾礦庫(kù)運(yùn)行期間調(diào)洪能力可滿足規(guī)范要求，且排空一次24 h洪水的時(shí)間不超過(guò)72 h，滿足規(guī)范要求。

(2)方案Ⅱ：計(jì)算方法同方案Ⅰ，計(jì)算結(jié)果表明,方案Ⅱ的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是合理可行的。另外，一次性筑壩尾礦庫(kù)可利用攔擋壩體進(jìn)行短時(shí)間擋水，一般小型洪水可攔蓄在庫(kù)內(nèi)，超標(biāo)洪水可通過(guò)排洪系統(tǒng)泄洪。由于不受干灘長(zhǎng)度限制，相比傳統(tǒng)上游式濕式排放尾礦庫(kù)，一次性筑壩尾礦庫(kù)將攔擋壩壩頂標(biāo)高與尾礦灘面標(biāo)高之間的空間作為調(diào)洪區(qū)域，調(diào)節(jié)能力較大，但隨尾礦排放量的增加調(diào)洪庫(kù)容呈減少的趨勢(shì)。因此只要留有足夠的安全超高，一次性筑壩的防洪安全性會(huì)更可靠。

2.3.3 壩體穩(wěn)定性

2.3.3.1 尾礦壩穩(wěn)定性計(jì)算

該尾礦庫(kù)等別為二等，尾礦壩重要性級(jí)別為二級(jí)，根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)[7]的規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地危險(xiǎn)性分析，分析結(jié)果確定其設(shè)防烈度。

(1)方案Ⅰ：根據(jù)《尾礦庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》(AQ 2006—2005)[8]的規(guī)定，1、2級(jí)山谷型尾礦壩的滲流應(yīng)按三維計(jì)算或由模擬試驗(yàn)確定。壩體三維滲流場(chǎng)分析結(jié)果表明，各典型壩段在正常工況、洪水工況和特殊運(yùn)行工況下浸潤(rùn)線埋深均較大，無(wú)壩坡出逸現(xiàn)象。

對(duì)尾礦庫(kù)最終堆積標(biāo)高800 m時(shí)的正常運(yùn)行工況、洪水運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況進(jìn)行二維滲流計(jì)算。采用瑞典圓弧法和總應(yīng)力法，利用河海大學(xué)開(kāi)發(fā)的AutoBank軟件，根據(jù)尾礦沉積規(guī)律對(duì)尾礦壩進(jìn)行概化分層，選取尾礦物理力學(xué)指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果與三維滲流計(jì)算基本一致，在各種工況下浸潤(rùn)線埋深普遍較深，滿足規(guī)范要求。利用滲流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行壩體穩(wěn)定性分析，正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.969、1.819和1.679，滿足規(guī)范要求。

(2)方案Ⅱ：計(jì)算方法同方案Ⅰ，利用二維滲流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行壩體穩(wěn)定分析，正常運(yùn)行、洪水運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.896、1.896和1.824，滿足規(guī)范要求。

結(jié)果表明，在選取相同的物理力學(xué)指標(biāo)的情況下，兩種筑壩方式下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且有較大的安全儲(chǔ)備，在洪水和特殊運(yùn)行工況下，方案Ⅱ的安全系數(shù)要高于方案Ⅰ。

2.3.3.2 尾礦壩動(dòng)應(yīng)力抗震計(jì)算

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50863—2013)[7]的規(guī)定，考慮到該尾礦壩為二級(jí)壩，應(yīng)進(jìn)行專門的動(dòng)力抗震計(jì)算，即在有限元基礎(chǔ)上進(jìn)行地震液化分析、地震穩(wěn)定分析和地震永久變形分析。該項(xiàng)目未進(jìn)行相關(guān)工作，在后續(xù)研究工作中會(huì)繼續(xù)深入，根據(jù)委托的專門從事抗震的研究院或高等院校的研究成果，對(duì)壩體的穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)一步完善。

2.3.4 可比投資

方案Ⅰ和方案Ⅱ在基建期所需的工程投資及投資構(gòu)成見(jiàn)表2所示。

表2 按工程類別劃分投資 萬(wàn)元

方案初期壩(攔擋壩)排水系統(tǒng)排滲設(shè)施監(jiān)測(cè)設(shè)施庫(kù)區(qū)綠化合計(jì)Ⅰ667.031056.5287.1714.40156.961982.08Ⅱ1521.25873.50134.2115.30188.002732.26

注：方案Ⅱ攔擋壩投資按第一期考慮。

由表2可以看出，方案Ⅱ基建期費(fèi)用是方案Ⅰ的近1.4倍，究其原因，主要是方案Ⅱ攔擋壩工程量較方案Ⅰ初期壩工程量有大幅增加。由于方案Ⅱ考慮了分期筑壩，同時(shí)攔擋壩的建設(shè)可以解決采場(chǎng)剝離圍巖的堆存，減小礦山配套的排土場(chǎng)規(guī)模，因此可節(jié)約很大一筆投資。

該工程投資費(fèi)用除基建費(fèi)用外，還包括運(yùn)行管理費(fèi)用、閉庫(kù)費(fèi)用及復(fù)墾價(jià)值等費(fèi)用。

(1)運(yùn)行管理費(fèi)用。方案Ⅱ尾礦庫(kù)沒(méi)有后期尾砂筑壩的費(fèi)用，崗位編制的勞動(dòng)定員較少，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低；方案Ⅱ不采用尾礦筑壩，只要保證初期壩的施工質(zhì)量，基本可以避免堆積壩的日常災(zāi)害，安全管理比方案Ⅰ簡(jiǎn)單、方便，管理費(fèi)用與方案Ⅰ基本相同。

(2)方案Ⅱ閉庫(kù)費(fèi)用要低于方案Ⅰ。原因在于：方案Ⅱ不存在后期堆積壩，閉庫(kù)時(shí)沒(méi)有堆積壩整治費(fèi)用，同時(shí)灘面整治也較方案Ⅰ容易實(shí)施。

(3)復(fù)墾價(jià)值。方案Ⅱ閉庫(kù)后可恢復(fù)耕地面積高于方案Ⅰ，地形條件越好，閉庫(kù)后的復(fù)墾價(jià)值越高。

3 一次性筑壩技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于中、小型尾礦庫(kù)采用一次性筑壩，與黃土高原用于水土保持的淤地壩類似，可按照水利水電工程有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)[6]。對(duì)于大型尾礦庫(kù)，結(jié)合該工程的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)說(shuō)明如下。

(1)攔擋壩。攔擋壩壩型的選擇與筑壩材料來(lái)源、選礦廢水的性質(zhì)等因素有關(guān)。對(duì)于山谷型尾礦庫(kù)，如溝谷縱深較長(zhǎng)，兩側(cè)山體有足夠的高度且筑壩材料充足，宜采用一次性筑壩方式；對(duì)于平地型和傍山型尾礦庫(kù)，如不能滿足最小干灘長(zhǎng)度及澄清距離要求的，應(yīng)采用一次性筑壩方式；一次性筑壩材料土石皆可，但高壩宜采用透水堆石壩，可結(jié)合排土場(chǎng)進(jìn)行，若選礦廢水有污染，最好采用不透水壩型，如碾壓式土壩。為了節(jié)省前期投資，同時(shí)使選礦廠盡早投產(chǎn)，攔擋壩一般考慮分期建設(shè)。施工中需注意壩體的基礎(chǔ)處理，壩體堆筑過(guò)程中要嚴(yán)格控制堆筑質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)放礦方式。選礦廠排出的尾礦漿通過(guò)泵站和管道輸送至尾礦庫(kù)，再與攔擋壩壩頂上鋪設(shè)的放礦主管道連接，放礦主管道上每隔8～10m設(shè)置一個(gè)放礦支管，利用水力沖積放礦。放礦時(shí)，為保護(hù)攔擋壩上游坡及反濾層免受尾礦漿沖刷，一般采用導(dǎo)流槽或軟管將礦漿引至遠(yuǎn)離壩頂處排放，并采用多管小流量的放礦方式，以利盡快形成灘面。

(3)排水系統(tǒng)。一次性筑壩尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)排水系統(tǒng)優(yōu)先采用排水井—排水管—排水隧洞方式，有條件的可在最終壩頂設(shè)置溢洪道，避免發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水造成洪水漫頂。

(4)防滲和排滲設(shè)施。一次性筑壩尾礦庫(kù)如采用透水堆石壩，無(wú)需設(shè)置排滲設(shè)施，若采用不透水壩型，必須設(shè)置有一套完備的排滲設(shè)施，加快尾礦堆積體的排水固結(jié)，使庫(kù)區(qū)尾礦滲透水及時(shí)排至庫(kù)外，最大限度地降低壩體浸潤(rùn)線。若選礦廢水有污染，攔擋壩最好采用不透水壩型，根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，采用庫(kù)底鋪設(shè)土工膜防滲或下游布設(shè)截滲墻防滲，以免污染地下水，同時(shí)為降低攔擋壩內(nèi)的浸潤(rùn)線高度，可在攔擋壩下游設(shè)置排滲棱體。

(5)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。一次性筑壩尾礦庫(kù)需在攔擋壩上布設(shè)位移觀測(cè)設(shè)施，如攔擋壩為透水堆石壩無(wú)需設(shè)置浸潤(rùn)線觀測(cè)設(shè)施，如為不透水壩型，同樣需要設(shè)置。此外，還應(yīng)設(shè)置完善的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)除了遵循一般設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)程外，還需充分考慮其特殊性，如尾礦細(xì)顆粒筑壩、庫(kù)區(qū)永凍層、冰凌春汛等對(duì)尾礦庫(kù)造成的不利影響，有時(shí)還需兼顧排土場(chǎng)建設(shè)，一次性筑壩技術(shù)是解決這類問(wèn)題的有效技術(shù)措施。通過(guò)某大型尾礦庫(kù)上游式尾礦筑壩和一次性筑壩兩種方案對(duì)比，確定采用一次性筑壩方案，并從攔擋壩、放礦方式、排水系統(tǒng)、防滲和排滲設(shè)施、安全監(jiān)測(cè)設(shè)施等方面對(duì)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討。無(wú)論在防洪能力還是日常生產(chǎn)管理上，大型尾礦庫(kù)采用一次性筑壩技術(shù)都有其特有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還解決了采場(chǎng)剝離廢石的堆存問(wèn)題，因此是一種值得推廣的筑壩技術(shù)。

[1] 張 達(dá), 張曉樸, 楊小聰.尾礦庫(kù)在線監(jiān)測(cè)及應(yīng)急指揮系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用[J].礦冶,2011,20(2):20-25.

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2014-11-06)

李瑞鴻(1982—)，女，碩士，工程師，066006 河北省秦皇島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)龍海道71號(hào)。